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陳妍等-GCA:埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期揚子海洋氮循環與氧化還原界面的協同演化
2019-08-09 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

   在埃迪卡拉紀早期到寒武纪第三期约120 Myr内,地球经历了埃迪卡拉紀生物事件、寒武纪生命大爆发、最后一次雪球事件的结束以及罗迪尼亚超大陆的裂解等一系列特殊的地质事件。前人研究提出,新元古代到早寒武世全球海洋的氧化还原条件可能发生了根本性的变化,即新元古代大氧化事件(NOE),氧含量的增加可能有利于生物大爆发。但随着研究程度的加深,海水的氧化还原结构还存在较大争议。

  氮是生命必須的營養元素,生物可利用氮的供給增加有利于産生體積更大的初級生産者。为了更好地约束埃迪卡拉紀-寒武纪过渡时期海水的氧化还原结构、生物可利用氮的供给情况以及与生物演化之间的关系,中國科學院地质与地球物理研究所蔡春芳研究員團隊,在前期對埃迪卡拉紀到寒武紀過渡時期華南海洋碳、氮和硫生物地球化學循環研究(Cai et al., 2015)的基础上,与美国加州大学河滨分校Timothy W. Lyons教授研究团队进一步合作,選擇了揚子盆地斜坡地區埃迪卡拉紀到寒武紀第三期的鑽孔剖面,對其進行了高分辨率的碳、氮同位素分析。結合這一時期華南已有的氮同位素數據(圖1),系統論證了揚子地區從埃迪卡拉紀早期到寒武紀第三期氮循環的演化,提出揚子海洋氧化還原結構總體爲上下分層,相比于中元古代時期生物可利用氮供給增加。其氮循環演化模式如下(圖2): 

  (1)埃迪卡拉紀早期華南氮同位素的平均值最高(5.3‰),研究剖面的氮同位素平均值要比華南其他剖面同時代地層高約2.7‰。據此提出,研究剖面所在的上揚子開放斜坡地區相對于其他更局限的地區具有更強烈的反硝化作用。上揚子斜坡地區可能缺氧上升流發育,氧化還原界面較高,表面硝酸鹽儲庫被還原消耗得最明顯。盡管如此,表層水體依然存在生物可利用硝酸鹽,氧化還原界面可能在透光區底界附近。豐富的硝酸鹽供給促進了埃迪卡拉紀宏體多細胞藻類的演化,同時淺水的氧化條件給多細胞動物提供了很好的生存環境。

  2)埃迪卡拉紀晚期華南氮同位素的平均值下降,揚子近岸地區的氮同位素平均值在0‰附近,說明受固氮作用影響增強,可能是由于當時揚子古地理比較複雜,近岸地區水深下降,使之與開放海域隔離形成寡營養海造成的。 

  3)寒武紀第二期末期鎳钼多金屬層附近華南氮同位素值下降到最低(最低值-7.5‰),說明發生氨的不完全吸收作用。通過分析沈積物中的碳氮關系,提出當時的溶解NH4+可能分布在局部硫化水體,溶解NH4+的形成可能跟硫酸鹽還原有機質厭氧氧化有關。這一時期揚子海氧化還原界面可能透光區內部,較淺的氧化還原界面可能跟華南小殼動物群滅絕有關。 

1  埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期揚子地區的氮同位素分布

2  埃迪卡拉紀-寒武纪过渡时期扬子地区的氮循环模式示意圖    

  该研究综合了研究剖面和华南其他地区已有的地球化学、矿物学、岩石学、古生物学和古地理等相关资料,首次发现华南埃迪卡拉紀氮同位素具有盆地梯度,并对氮同位素的盆地梯度提出了模型解释。同时,首次论证了沉积岩中总有机碳与总氮之间的关系,进一步厘定第二期末期镍钼多金属层附近,深水溶解NH4+的存在位置與形成機理。 

  研究成果發表于Geochimica et Cosmochimica Acta(Chen Y, Diamond C W, Stüeken E E, Cai C F*, Gill B C, Zhang F F, Bates S M, Chu X L, Ding Y, Lyons T W*. Coupled evolution of nitrogen cycling and redoxcline dynamics on the Yangtze Block across the Ediacaran-Cambrian transition[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2019, 257: 243-265. DOI: 10.1016/j.gca.2019.05.017)原文鏈接 

 
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